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Piezoelektrisches Schaltelement Die Erfindung hat sich zur Aufgabe
gestellt, piezoelektrische Dickenschwinger zu schaffen, die in die Geräte nach Art
der sonst gebräuchlichen Stabwiderstände und Kleinstkondensatoren in Form von Röhrchen-
oder Knopfkondensatoren eingesetzt werden. Diese Schaltelemente werden bekanntlich
ohne besondere Halterung an ihren Stromzuführungen aufgehängt. Entweder werden die
Enden der Zuführungen angelötet, und die Schaltelemente hängen zwischen den Lötpunkten,
oder es werden bei besonders erschütterungsempfindlichen Geräten die Stromzuführungen
z. B. durch eine Isolierplatte gesteckt und stützen das Schaltelement ab: Die Lötpunkte
liegen dann außerhalb der Stützpunkte. Charakteristisch ist jedenfalls, daß besondere
Halterungen für das Schaltelement nicht vorhanden sind. Die Erfindung schafft piezoelektrische
Dickenschwinger, die in gleicher Weise ausgestaltet sind. Dies hat neben anderen
Vorteilen, die noch im einzelnen angegeben werden, vor allen Dingen den, daß Filter,
die ja häufig eine Mehrzahl von Quarzen enthalten, in besonders einfacher und geschlossener
Form aufgebaut werden können.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Kombination mehrerer, größtenteils
bekannter oder naheliegender Maßnahmen, die jedoch in ihrer Gesamtwirkung überraschend
und fortschrittlich sind und es erstmals ermöglichen, Piezoelemente so aufzubauen,
daß sie wesentlich leichter sind als die bisher bekannten Elemente und außerdem
außerordentlich
bequem und raumsparend unmittelbar ohne besondere
Haltevorrichtung in die Verdrahtung eines Gerätes eingefügt werden können.
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Die erfindungsgemäßen piezoelektrischen Schaltelemente sind gekennzeichnet
durch einen piezoelektrischen Kristall, der an zwei Seiten auf einer Fläche von
einem Fünftel bis einem Zwanzigstel der Oberfläche metallisiert und mittels Zwischenlagen
mit starker Dämpfung für die Schwingungen des Kristalls an seinen Kanten in einem
vorzugsweise rohrförmigen Hohlkörper gelagert ist, der an zwei gegenüberliegenden
Seiten Drähte zum Einschalten des Schaltelementes in der Schaltung besitzt, die
mit den metallischen Belegungen des Kristalls leitend verbunden sind.
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Zur Durchführung des Erfindungsgedankens werden Quarze benutzt, bei
denen die Elektroden in Form eines Metallüberzuges aufgebracht sind, der die beim
Schwingungsvorgang galvanisch gekoppelten Randpartien frei läßt. Ein derartiger
Quarz besitzt die notwendigen kleinen Abmessungen, um eine Anordnung zu schaffen,
die in gleicher Weise wie die Stabwiderstände oder Kleinstkondensatoren eingesetzt
wird. Man kann sich nämlich nicht darauf beschränken, einfach die .äußeren Abmessungen
der bisherigen Quarze zu verkleinern.
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Es liegen an sich schon Vorschläge vor, Dickenschwinger nicht mit
Hilfe metallischer Elektroden, die gegenüber dem piezoelektrischen Material einen
Luftabstand aufweisen, zu erregen, sondern mit Hilfe von metallischen Überzügen,
die auf dem Piezomaterial selbst aufgebracht sind. Bei diesen Vorschlägen hat man
jedoch den Quarz in Anlehnung an die allgemein verwendeten Elektroden zur Erregung
über einen Luftspalt ganz bis zum Rand mit Metall überzogen, ohne die sich physikalisch
ergebenden Unterschiede näher untersucht und hieraus die Folgerungen gezogen zu
haben. Bei der erwähnten, allgemein angewendeten Erregung über einen Luftspalt erfolgt
die Zuführung bzw. Abnahme der Spannung nicht mehr kapazitiv über die vom piezoelektrischen
Schwinger, der im all-. gemeinen ein Quarz ist, getrennten Elektroden, sondern durch
die auf dem Quarz aufgebrachte Metallisierung. Die elektrischen Felder innerhalb
des Schwingkristalls sind wesentlich stärker, und die Schwingungserregung innerhalb
des Kristallgefüges ist auch anderer Art. Nach außen hin macht sich dies durch eine
Änderung der Schwingfähigkeit (einfach meßbar durch Bestimmen des Serienresonanzwiderstandes
des Schwingungskristalls) oder z. B. durch die Zahl und Größe der in näherer Umgebung
der Hauptresonanz liegenden Nebenwellen bemerkbar.
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Die Verhältnisse werden besonders schwierig, wenn man, um Rohmaterial
zu sparen oder um die äußeren Abmessungen und damit die Geräte zu verkleinern, dazu
übergeht, die Abmessungen der metallisierten Quarzplatten einfach zu verkleinern.
Es war z. B. nicht möglich, einen runden Quarz, der einen Durchmesser von 20 mm
hatte, mit einer Metallisierung von iS mm (dieser Durchmesserunterschied zwischen
Quarz und Metallisierung ist auf die notwendige, am Rand angeschliffene Facette
zurückzuführen) einfach in seinen Abmessungen auf io bzw. 9 mm zu halbieren und
brauchbare gleichwertige Ergebnisse zu erzielen. Der Grund hierfür liegt in nachfolgender
Überlegung.
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Bei einem im Verhältnis zur Dicke großen Quarz, etwa z. B. i :5o,
fällt, wenn man mit einer kleinen, zentrisch angebrachten Metallisierung beginnt,
mit der metallisierten Fläche der Serienresonanzwiderstand theoretisch proportional.
Ebenso fällt auch die Ersatzinduktivität, so daß die Dämpfung zunächst konstant
bleibt. Dieses ändert sich bei größer werdender Metallisierung zum Rande hin. Durch
die Metallisierung werden Schwingungszonen erfaßt, die durch Randstörungen und tiegungsschwingungen
gekennzeichnet sind: Die in diesen Gebieten an der Quarzoberfläche austretenden
Spannungen sind nur galvanisch gekoppelt mit dem Schwingungsgebiet der Mittelzone.
Dadurch tritt eine kräftige Dämpfungsvergrößerung ein, die den Quarz unbrauchbar
macht, wenn man ihn bis zum Rande metallisiert. Der Serienresonanzwiderstand steigt
dann bei Vergrößerung der metallisierten Fläche zum Rande hin an.
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Läßt man die Randpartien von der Metallisierung frei, so kann man
das Optimum zwischen Widerstandserniedrigung und Dämpfungserhöhung erreichen. Dies
ist bei einem Durchmesser der metallisierten Fläche von einem Fünftel bis einem
Zwanzigstel der Schwingoberfläche der Fall.
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Die Mb. i zeigt schematisch einen derartigen piezoelektrischen
Dickenschwinger i mit einer Versilberung 2, die die Randpartien frei läßt. Durch
die Erfindung konnte beispielsweise der Durchmesser bei einem Quarz von io ooo kHz
auf 6 mm herabgesetzt werden und in bezug auf Schwingfähigkeit, Nebenwellenfreiheit
u. dgl. die gleichen Ergebnisse wie mit einem durch Luftspalt erregten Quarz von
ii; mm Durchmesser erreicht werden. Das Gewicht des Schwingers selbst betrug in
diesem Falle 12 bzw. io6 mg. Aus diesen Zahlen ergibt sich ohne weiteres, daß die
Gewichtsersparnis eine ganz bedeutende ist.
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Ausgehend von derartig kleinen Quarzen wird es möglich, die erfindungsgemäße
Konstruktion zu schaffen, die als völlig umwälzend bezeichnet werden kann. Es ist
oben schon angedeutet worden, daß bei den bisher bekannten Anordnungen mit Luftspalterregungen
umfangreiche Halter, die die ziemlich schweren Elektroden trugen und in denen im
übrigen der Quarz durch eine Dreipunktlagerung od. dgl. zwischen den Elektroden
gehalten wurde, notwendig waren. Im Hinblick auf die großen Abmessungen des Quarzes
selbst und seiner Halterung war es besonders schwierig, erschütterungsunempfindliche
Anordnungen zu schaffen. Durch den angegebenen Quarz werden die Schwierigkeiten
leicht überwunden, und es ist möglich, den Quarz mit seiner Halterung zu einem Schaltelement
auszubilden, das in gleicher Weise konstruktiv behandelt werden kann wie die bekannten
Stabwiderstände und kleinen Kondensatoren in
Form von Röhrchen-
oder Knopfkondensatoren in Hochfrequenzgeräten. Während bisher dem Quarz wegen der
großen Abmessungen seiner Halterung ein besonderer Platz im Gerät zugewiesen werden
mußte, indem er z. B. an zwei Punkten an die Montageplatte angeschraubt wird, können
jetzt dieselben in gleicher Weise eingesetzt werden wie Widerstände und Kleinkondensatoren.
Welche ungeheuren Vorteile sich z. B. für den Aufbau von Quarzfiltern ergeben, braucht
nur kurz angedeutet zu werden.
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Die erfindungsgemäße Oluarzhalterung ist in den Abb. 2 a bis 2 d dargestellt.
Abb. 2 a zeigt die Außenansicht. Es handelt sich um einen kurzen Zylinder 5 aus
Isoliermaterial, aus dem die Stromzuführungen 6 und 7 herausragen. Die Abb. 2 b
zeigt einen Blick von oben in den geöffneten zylindrischen Körper. Die Quarzplatte
8 steht senkrecht. Sie wird in ihrer Lage durch Filzstückchen q 'und io gehalten,
die sich zwischen Quarz und zylindrischem Körper wie Filz od. dgl. befinden. Ein
gleiches Filzstückchen ii und 12, befindet sich, wie aus den Schnitten 2 c und 2
d zu ersehen ist, zwischen dem Boden und dem Deckel des zylindrischen KÖrpers. Die
Dicke bzw. Nachgiebigkeit des Filzstückes wird so gewählt, daß der Quarz einwandfrei
gehalten wird, ohne daß seine Schwingfähigkeit beeinflußt wird. Durch diese Lagerung
wird auf einfache Weise erreicht, daß der leichte Quarz erschütterungsunempfindlich
wird. Die Zuleitungen 6 und 7 sind mit dünnen Drähtchen 13 und 14 mit den aufmetallisi,erten
Stegen verbunden.
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Die Abb. 3 zeigt die inneren Verbindungen mit den Elektroden. Auf
der Oberfläche ist ein metallischer Steg 3 auf der einen und ein gleicher Steg 4
auf der anderen Seite angebracht, die in leitender Verbindung mit der Metallisierung
2 stehen. Die Stege sind so angebracht, daß sie keine zusätzliche Quarzanregung
bewirken. Dies wird dadurch erreicht, daß sie an die Projektion der optischen Achse
und nicht an die Dicke einander gegenüberliegend angebracht wird. Der an Hand der
Abb. 2 a bis 2 d beschriebene Halter wird, nachdem der Quarz eingesetzt worden ist,
verschlossen und kann mit einem wasserdichten Überzug versehen werden. Es ist selbstverständlich,
daß sich die praktische Ausführung des beschriebenen Halters auch in anderer Weise
ausführen läßt, insbesondere ist sie nicht an die Verwendung des dargestellten zylindrischen
Körpers gebunden.
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Ein Quarz mit seiner Halterung gemäß der Erfindung wiegt
0,7 g gegenüber 36,2 g einer gleichwertigen, besonders leichten Ausführung
mit Luftspalterregung. Infolge des geringen Gewichtes kann die erfindungsgemäße
Anordnung ohne weiteres, wie vorstehend schon angegeben, als Schaltelement eingesetzt
werden. Einer besonderen erschütterungsunempfindlichen Konstruktion oder Lagerung
bedarf es in diesem Falle nicht.